Test Study of Extra-High-Voltage Line Protection Based On RTDS

Mao Peng¹， Yang Li-fan¹， Du Xiao-gong¹， Li Xiao-bing¹， Suonan Jia-le²

(1 Dongfang Electronic Group, Yantai, 264001; 2 Xi'an Jiaotong University, Xi'an, 710049)

??? Abstract: RTDS(Real Time Digital System) can really simulate fault states of the practical power system, and has more excellences than analogy dynamic simulation system, such as being easy to control and fault state could reappear etc. Because of its characteristics, RTDS plays an important role in the R&D process of extra high voltage(EHV) line protection relay. This paper introduces the test model and requirements of EHV line protection relay, and analyzes several study emphases of line protection device in detail. Scheme and method for these problems in developed new high voltage line protection DF3621 are presented. Lots of RTDS test results show that DF3621 has high reliability and satisfactory performances to special system states and faults such as faults during swing and translating faults etc.. The protection still requires more practical running tests.
??? Keywords: RTDS, High Voltage Line Protection, Swing Block?


0? 引言
??? 電力系統數字仿真具有不受原型系統規模和結構復雜性的限制，能夠保證被研究、試驗系統的安全性和具有良好的經濟性、方便性等許多優點，正被越來越多的電力科技工作者所關注，并且在電力系統規劃和設計、裝置的研究開發、運行人員培訓等領域發揮著重要的作用^[1]。眾所周知，電力系統保護裝置，尤其是高壓/超高壓電網的保護裝置，需要足夠的可靠性，并能適應于電力系統的各種工況，在任何故障類型下具有充分的靈敏度，來快速、準確的切除故障，以確保電網穩定、設備安全。但對于要求如此苛刻的裝置，在現場中僅在很短的時間動作外，長期處于不動作狀態，所以可供參考的實際故障經驗非常少，至于實際電網試驗機會則更少。從而導致了高壓電網保護裝置產品一直是一個高技術含量、高門檻的行業，其開發研究中，電力系統實際經驗和動模試驗具有重要的地位。相比于傳統的動模試驗，全數字RTDS動模系統，具有模型構建方便、系統模型多、同類故障工況可重復再現等諸多方面的優點，給保護裝置的開發研究提供了極其有利的手段，也從而確保了由此開發出的裝置性能更加可靠。
??? 本文在介紹基于我公司RTDS動模系統測試新開發的超高壓線路保護裝置DF3621的基礎上，詳細的闡述了RTDS試驗中幾個特殊工況的測試情況，指出了當前超高壓微機線路保護的幾個研究難點，并給出了我們的處理方案和試驗結果，以供同行參考。對特殊問題的研究尚需進行，開發研制的裝置也需進一步現場試運行的考核。

1 RTDS動模試驗系統
1.1 RTDS試驗模型^[2]
??? RTDS是由加拿大Maniloba直流研究中心(HVDC)開發的專門用于實時研究電力系統的數字動模系統，該系統中的電力系統元件模型和仿真算法建立在已獲得行業認可，且已廣泛應用的EMTP和EMTDC基礎上的，其仿真結果與現場實際系統的真實情況是一致的。該系統已在全球多個國家和地區推廣使用，我國目前也有多個單位引進了規模不等的RTDS系統。
??? RTDS的基本組成部分為組(RACK)，多個RACK之間通過總線相聯，RACK的數量決定了可仿真系統的規模。將RTDS實時模擬電量和開關量輸入被測試保護裝置，再將裝置的輸出信號引入仿真系統的開關量板，即可實現保護裝置的閉環實時仿真試驗。
??? 使用RTDS進行繼電保護產品試驗的關鍵在于試驗模型系統的建立。參照電力科學院的試驗模型系統，結合本裝置的開發定位：應用于220KV及以上電壓等級的單回線路，構建了以下幾種線路模型。為更加接近現場實際，使測試結果具有說服力，所有線路模型均采用分布參數模型，電壓等級為500kv。
??? (1) 單電源空載長線模型(I)
??? 無窮大電源帶400km單回架空線路，無窮大電源短路容量為3000MVA。主要用于測試距離保護的暫態超越性能。
??? (2) 雙電源雙回線長線模型(II)
??? 仿真系統模型入圖1所示。被測保護裝置P₁和P₂分別安裝在NL1線路的N側和L側，保護所需的線路電壓信號由500kV/0.1kV的電容式電壓互感器提供，保護所需的線路電流信號由1250A/1A的電流互感器提供。 N系統為一地區等值系統，短路容量分別為3000MVA，L廠裝有等值容量為2100MW的發電機M1一臺，變壓器B1容量為2500MVA，所帶負荷最大容量為1000MW，其中電動機負荷占65％，電阻負荷占35％。每條輸電線路的兩端都裝有容量為150Mvar的并聯電抗器。正常情況下潮流P=1000MW,Q=480Mvar。輸電線路主要參數:z₁=z₂=0.0193+j0.2793Ω/km,z₀=0.1788+j0.8412Ω/km,c₁=0.013μF/km, c₀=0.0092μF/km.

??? (3) 短線環網模型(III)
??? 短線環網系統模型如圖2所示。線路主要參數與模型II中的線路參數相同。被測試保護裝置分別安裝在NL線路的L側和N側。 M廠、N廠及L系統經500kV短距離輸電線路相互連接。M廠裝有等值容量為1050MW的發電機M1一臺，N廠裝有等值容量為1050MW的發電機M2一臺。N廠還接有負荷變壓器FB，負荷變壓器的容量為1200MVA，所帶負荷最大容量為1000MW，其中電動機負荷占65％左右，電阻性負荷占35％左右。L系統為一地區等值系統，有大、小兩種運行方式，其對應的短路容量為3000MVA及20000MVA。

??? 超高壓電網線路本身特點所決定的某些元件模型的構建應特別注意，盡量作到設計的與實際相符，其真實性將直接影響保護裝置的性能指標。其中電容式電壓互感器(CVT)的采用，導致了故障后獲取的二次信號具有明顯的暫態特性，其對于距離保護在暫態超越試驗以及出口故障試驗中有重要的考驗；另外由于超高壓電網的衰減時間常數較大，某些故障情況下非周期分量衰減緩慢，從而導致電流互感器(CT)出現飽和，此點對保護裝置也是一個非常重要的考核內容，由此可知高壓電網的特點對保護裝置提出了更高的要求。對于不同的通道連接方式，我們利用SEL保護裝置的“可編程邏輯功能”來模擬，得到了較好的試驗效果。
1.2 測試內容及結果
??? 為使研制開發的保護裝置有一個較高的起點，以優良的性能滿足于高壓/超高壓線路保護的各項要求，以SD286-88《線路繼電保護產品動模試驗技術條件》的內容為基本要求，另外考慮到此標準制訂于10幾年前，部分內容已不適應當前形式的需要，所以結合目前系統的實際需要，借鑒國內其他保護廠家的企標，制定了我們的測試內容和性能要求。
??? 我們開發的線路保護裝置DF3621定位于高壓/超高壓電力系統，基本配置：以縱聯距離保護為主，三段式距離保護、階段式零序保護和反時限零序保護為后備保護，以及完善的輔助功能的成套保護裝置。裝置采用先進、可靠的軟件平臺，硬件平臺采用32位CPU+DSP模式，為保護整體性能提供了可靠基礎；保護原理完備、先進，在吸收目前國內同類保護產品優點的基礎上，增加了自適應、模式識別等一些成熟的研究成果，從而使此裝置在滿足目前保護裝置基本要求的前提下，對特殊工況時的故障也具有另人滿意的結果。
??? 此次RTDS試驗屬于研制階段的手段，所以試驗項目在完全包括電力科學院所有檢測項目，以及部分網局相關標準的前提下，我們又增加了一些試驗內容：復故障、特高阻(大于300)接地故障、振蕩中經過渡電阻接地故障、CT嚴重飽和工況等。DF3621的基本測試結果如表1所示。

??? 其他項目如：PT斷線、CT斷線及飽和、手合空載線及故障線路等也作了充分的測試。經過上千次的試驗表明：DF3621高壓線路保護裝置各項指標均能滿足要求，性能穩定可靠，對于特殊工況下的故障反應也得到了比較滿意的結果。

2 高壓線路保護裝置的幾個難點^[3-6]
??? 我國的微機保護產品從投入現場實際到現在已有十幾年的歷史了，在完成其之前集成保護所有功能的基礎上，就保護功能而言真正性能提高的幅度不大，也可以說就保護原理而言未能充分發揮微機的優勢。尤其是目前隨著軟、硬技術的飛速發展，一些研究成熟的高級算法、智能化分析方法等完全可以引入的保護中。當然保護裝置的開發以可靠為首，我們也正是本著這一原則，就目前保護裝置解決不太理想的地方進行了試驗性嘗試。也希望同時引起同行對此類問題的關注。
2.1 狀態識別及自適應
??? 嚴格的講狀態識別及自適應涉及很多方面，限于篇幅及本文的側重點，就幾個主要方面提出予以探討。目前國內的保護裝置，啟動元件動作后，后續的故障處理過程是按照啟動時刻為基準展開的，如突變量啟動后相繼執行快速段、穩態階段、振蕩閉鎖階段、跳閘后階段以及非全相階段，其他的內容如PTDX、加速則包含于其中。應該說此種方案是不合理的，我們所制定的保護處理方案是針對于保護裝置之外的一次、二次的狀態而言的，除了簡單的單一性故障，程序處理和系統狀態相符合，大多數會導致不一致從而影響保護整體性能。列舉幾例如下：
??? (1) 啟動元件為保證各種可能故障下都能動作，整定的靈敏度非常高，所以啟動元件動作往往并非是故障的真實發生時刻；距離保護為兼顧近端故障快速切除和末端暫態超越不超標一般采用快速段保護以啟動時刻為基準階段放開保護范圍的方法，此策略勢必導致的結果是暫態超越試驗動作時間不會太快，另外對于小擾動導致啟動后一段時間發生的故障勢必可能出現暫態超越超標。
??? (2) 目前微機距離保護一般采用短時開放，150ms后(以啟動時刻為基準)后進入振蕩閉鎖處理模塊，通過增加條件來開放保護。應當說此方案側重于可靠性考慮，對于我國的電網穩定等方面具有積極的實用意義。但僅通過突變量啟動元件動作后150ms來運行振蕩閉鎖程序，應當說此元件過于靈敏，從而導致系統穩定情況下，小擾動導致啟動后，再發生故障導致保護延時動作。
??? (3) 系統非全相運行期間，由于存在零序電流等特點，保護裝置自動投入相應保護的同時，應退出某些會誤動的保護元件，因此非全相狀態一旦漏判，勢必會影響保護裝置的整體性能。而目前有些保護裝置僅從本保護端三相斷路器是否閉合來斷定是否系統處于非全相狀態的做法是不準確的，會將導致單跳后優先重合側保護裝置誤認為系統已恢復三相運行。
??? 對于上述問題的出現，其根本性原因在于保護裝置未能充分利用其強大的記憶及分析功能來準確的識別系統狀態，通過狀態識別結果來投入相應的處理模塊，此過程本身就體現了自適應思想。
??? 新開發的線路保護裝置DF3621改變了以前基于啟動時刻調節保護范圍的做法，而采用元件所用電流、電壓量的波形(提出了波形系數的概念)來作為自適應選用數字濾波器、調節保護范圍、調節方向元件動作范圍等各個環節的基準。理論上分析可知：故障時刻的不同，故障暫態分量中非周期分量和各高次諧波分量是不同的。采用自適應調節濾波器后，可以避免統一采用差分傅氏算法在某些情況下放大諧波的可能。CT飽和后，自適應采用短數據窗保證計算量的真實性。這樣直接定位為體現元件輸入量可信度的處理方式，從根本上解決了不論是何種原因導致的信號畸變不會影響保護性能，同時也確保了任何故障情況下，保護在暫態超越指標范圍內快速切除故障的可能。
??? 系統振蕩狀態的出現是有先兆和需要過程的，這為我們提供了振蕩狀態識別的可能，充分利用微機保護的強記憶功能，采用狀態預測算法，保證系統發生振蕩之前，及時投入振蕩閉鎖處理模塊，取消突變量啟動150ms后自認為系統已振蕩的做法，確保小擾動啟動后系統未振蕩情況下再故障時保護裝置的動作性能，這樣從整體上提高了保護裝置的性能指標。而對于非全相狀態的識別，在監視跳開相電量和開關量的同時，應綜合利用本保護各元件曾經的感受行為，以及系統零序電量的變化行為，來作出定位于一次系統的非全相狀態識別。
2.2 振蕩中選相處理^[7]
??? 振蕩閉鎖模塊的處理方案，從確保電網穩定等方面出發，基本要求是振蕩情況下保護不誤動，其次是振蕩中又發生故障，保護能夠正確動作。目前保護裝置基本上都能滿足第一個性能指標，而第二個指標一般是通過保護延時動作，和降低性能指標等方式來實現的，即對于振蕩中故障能否正確選相、正確計算阻抗量、耐過渡電阻各方面不作太嚴格的要求。而作為保護科技工作人員當希望此工況下，保護性能指標不受影響，此點也是進一步研究的重點。
??? 目前振蕩中選相元件僅在故障開放條件滿足后通過序分量以及計算阻抗來實現，勢必導致某些故障情況下，僅當兩端電勢夾角擺到一定范圍內才能開放，從而使保護延時動作；甚至不能開放，導致保護拒動或無選擇性出口。新開發的線路保護裝置DF3621中，專門針對系統振蕩狀態研制了一基于模型識別方法的新型選相元件，其基本原理為綜合利用保護安裝處的各序量關系，以及推算得到的故障點處的各序量關系，最終給出正確的故障類型。由于此選相元件所需的開放條件比較靈敏，確保各種工況下都能選相，且振蕩周期中不工作的盲區大大減少，提高了保護的選跳正確率和動作時間。大量的RTDS動模試驗已證明了此點。
2.3 轉換性故障
??? 對于同一點不同故障類型轉換的發展性故障，采用選相元件、阻抗元件并行實時運算，故障類型變化后最先滿足入段的元件優先固定的原則，可以滿足測試指標；對于二次故障，即兩次故障轉換間隔相對較長，第一次故障已成功切除，此時按照狀態檢測調度再發生故障將由非全相故障處理模塊來切除，各項性能指標一般保護裝置都能滿足。難點在于正、反向復故障情況，即正向出口、反向出口故障點同時存在，如果為不同相，對于單通道高頻保護，遠端保護裝置只能無選擇三跳，而近端保護裝置則希望能夠正確選跳，就此特殊故障類型，如果不作專門性處理，僅當在保護安裝處所感受的區內故障附加電源產生的故障電量遠大于區外故障附加電源所產生的電量時，才能保證選相正確，從而不能確保各種電網結構下保護性能的一致性。對此我們增加一靈敏度足夠高的復故障檢測元件，通過此元件來投入此工況下的專門選相元件，其綜合利用電流序分量選相結果和電壓序分量選相結果，以及保護測量元件的歷史和當前感受情況，統一分析后最終給出正確的選相結果。
2.4 高阻接地故障
??? 接地保護的耐過渡電阻能力是距離保護元件的重要測試項目，而距離保護元件是越量型元件，有別于測量元件，在保護范圍之內，即使測量誤差很大，也能使保護元件正確動作，由此可知耐過渡電阻的能力對于保護范圍的不同點，具有不同的性能。所有基于金屬性故障推出的距離元件在保護范圍末端必將耐過渡電阻能力較弱。對此，我們采用了基于零序電流修正的測距算法來作為保護范圍末端高阻單相接地故障時的測量元件，從而保證了不論保護范圍內的何處故障都具有較高的耐過渡電阻能力，提高了裝置的整體性能。

3 結論
??? 經過大量的RTDS試驗，表明新開發的DF3621型線路保護裝置各項性能指標比較另人滿意，當然還需要長期現場試運行的考驗。
??? RTDS數字動模試驗系統在保護裝置開發中具有非常重要的作用，對原先基于經驗開發裝置、模擬動模試驗測試、長期現場實際運行檢驗的裝置研發模式有所改變，充分利用RTDS試驗，作為保護裝置開發的重要手段，將在縮短研發周期的同時，會不同程度的提高保護裝置的整體性能。另外，我們在研發過程中感覺到：在完全理解目前保護裝置產品處理方案的基礎上，繼承優點，就某些具有開發時代局限，而不能很好的滿足現在實際現場需求的處理方法，在充分測試的前提下可以采用新的研究成果，以提高保護裝置的綜合性能指標；隨著技術的發展，用戶需求的進一步提高，以及保護本身原理研究的突破，保護裝置產品也應及時的升級換代或研制開發新產品。